Terahertzes óriásimpulzusok az ELI számára

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Terahertzes óriásimpulzusok az ELI számára"

Gyöngyi Ráczné
5 évvel ezelőtt
Látták:

1 Terahertzes óriásimpulzusok az ELI számára Almási Gábor (és még sokan mások) PTE TTK Fizikai Intézet 1

2 Tartalom A terahertzes tartomány meghódítása Néhány szó az ELI-PTE közreműködésről THz pumpa THz próba (TP2) Pumpa Próba mérés Multispektrális képalkotás Nagy energiájú THz-es forrás THz-es sugárzás keltése Cserenkov geometria Döntött impulzusfrontú gerjesztés Főbb alkalmazási lehetőségek Nagy energiájú alkalmazások Relativisztikus elektronok gyorsítása Protonok utógyorsítása 2

3 Mit értünk THz-es sugárzáson? 1 THz 4,15 mev 1 THz 33,3 cm-1 1 THz 300 µm 1 THz 1 ps 1 THz 48,1 K 3

4 Mit értünk THz-es sugárzáson? 4

5 Emissivity (J/m 2 ) Mit értünk THz-es sugárzáson? Feketesugárzók zavaró hatása a THz-es mérésekre K 300K T=30K Frequency (THz) 5

6 THz-es közlemények 6

7 Electric field (a. u.) Spectral amplitude (a. u.) THz-es impulzusok osztályozása a csúcs-térerősség alapján 1,0 0,5 0,0-0,5 E max 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Frequency (THz) time (ps) Kis térerősségű (E max 100 V/cm 10 fj energia) Lineáris (TDTS) THz spektroszkópia Nagy térerősségű (E max 100 kv/cm µj energia) pumpa-próba Extrém nagy térerősségű (E max 100 MV/cm 10 mj energia) 7

8 THz pulse energy (nj) A THz-es impulzus energia a pumpáló energia függvényében LN (tilted-pulse-front pumping) ZnTe (collinear) LN (Yeh, 2008) LN (Yeh, 2007) LN (Stepanov, 2005) LN (Stepanov, 2008) LN (Fülöp, 2012) ZnTe (Blanchard, 2007) ZnTe (Löffler, 2005) 125 J Pump pulse energy ( J) 8 Fülöp et al., Optics Lett. 37, 557 (2012), Huang et al., Optics Lett. 38, 796 (2013)

9 Az ELI-PTE együttműködésről 1 THz pumpa THz próba (TP2) 9

10 Optikai pumpa THz próba (OPTP) 10

11 THz pumpa THz próba Hoffmann et al.: Phys. Rev. B 79, R (2009) 11

12 THz pumpa THz próba (TP2) 12

13 THz pumpa THz próba (TP2) 13

14 Multispektrális képalkotás (MSI) 14

15 A finom részletek (Vákuum) 15

16 A finom részletek (TANGO) 16

17 THz-es sugárzás keltése FOM 2 mm-es kristályhossz esetén Material d eff (pm/v) THz.55 (cm -1 ) FOM (pm 2 cm 2 /V 2 ) CdTe GaAs GaP ZnTe GaSe slinbo 3 sln 100K gr n 800 nm n DAST gr THz n 1 m Sebesség illesztés feltétele: v gr NIR v ph THz n gr NIR n THz 17

18 THz-es sugárzás keltése: Cserenkov geometria Cserenkov Δt pump < T THz w pump < λ THz Kúp alakú hullámfront 18

19 THz-es sugárzás keltése: Cserenkov geometria 19

20 THz-es sugárzás keltése Sebességillesztés: v f THz v cs lézer LiNbO 3 : nagy nemlinearitás, de v f THz v cs lézer Velocity matching by tilting of the pump pulse front J. Hebling et al: Optics Exp. 10, 1161 (2002) f v THz cs v lézer A döntött pumpáló intenzitásfront által keltett THz-es sugárzás erre a THz radiation excited along the tilted pulse front propagates frontra perpendicularly merőlegesen to halad this front a sebességillesztés velocity matching feltétele condition: módosul: gr ph f cs 20 vvis cos v v THz THz cos vlézer

21 THz-es impulzusok keltése: Döntött impulzusfrontú gerjesztés Döntött impulzusfront Δt pump < T THz Skálázható w pump Síkhullám 21

22 THz-es sugárzás keltése 22

23 THz-es sugárzás keltése 23

24 x [mm] THz intensity [arb. u.] THz-es impulzusok keltése: Döntött impulzusfrontú gerjesztés (c) pump (a) LN crystal pump LN crystal x [mm] pump THz 2 THz x [mm] THz x [mm] -4 THz generation efficiency [arb. u.] 1E-3 8E-4 6E-4 4E-4 (a) (b) (c) E (b) LN crystal z [mm] 4 24

25 THz-es impulzusok keltése: Döntött impulzusfrontú gerjesztés kontaktrács I. 25

26 THz-es impulzusok keltése: Döntött impulzusfrontú gerjesztés kontaktrács II. LiNbO 3 kontaktrács elektronmikroszkópos képe 26

27 THz-es impulzusok keltése: Döntött impulzusfrontú gerjesztés kontaktrács III. ZnTe kontaktrács 27

28 THz-es impulzusok keltése: Döntött impulzusfrontú gerjesztés kontaktrács IV. 28 Echelle rácsos elrendezés

29 Extrém térerjű THz-es impulzusok alkalmazása I. Relativisztikus elektronok utógyorsítása 29

30 THz meghajtású dielektrikus lézer gyorsító relativisztikus elektronokra Modell Meghajtó impulzus Elektromos térerő z-irányban Amplitude / E Time (fs) A. Aimidula et al., Nucl. Instr. and Meth. A, 19, (2014) Computer Simulation Technology (CST) 1.0 Amplitude / E Time (ps)

31 THz meghajtású dielektrikus lézer gyorsító optimális paraméterei (Az alkalmazott anyagtól függenek) Anyag: Szilícium (n = 3.41) A = B = λ / 2 Optimalizáltuk a C, D és L paramétereket. C = 0.1 λ D = λ L = 0.28 λ l = 0.9 mm (0.33 THz) 31

32 Elektromos tér a rácsok közötti térrészben 32

33 Elektromos tér a rácsok közötti térrészben E z,max = 1.8 E 0 Amplitude / E 0 π phase delay Initial Signal probe1 Time (ps) Maximum electromos mező a dielektrikumban: E z,max = 1.08 E 0 Amplitude / E probe1 probe Time (ps)

34 Energy (MeV) Energy (MeV) Várható gyorsítás THz paraméterek: 0.33 THz 1 MV/cm 15 ps 20 mj 5 cm dielektrikum hossz: 1 MeV 4 MeV Gradiens: 59 MeV/m THz paraméterek: 0.7 THz 2 MV/cm 7 ps 20 mj phase = 0 phase = 40 phase = 80 phase = 120 phase = 160 phase = phase = 0 phase = 40 phase = 80 phase = 120 phase = 160 phase = 180 z (mm) 5 cm dielektrikum hossz: 1 MeV 6.35 MeV Gradiens: 107 MeV/m z (mm)

35 Extrém térerjű THz-es impulzusok alkalmazása II. Protonok utógyorsítása 35

36 Gyors protoncsomag előállítása lézerrel keltett plazmákban Protonterápiához E > 70 MeV kell! Snavely et al.: PRL 85, 2945 (2000) 1 PW, 500 J, 500 fs 36

37 Protonok utógyorsítása A lézermeghajtású proton gyorsítók jelenlegi korlátai A hadron terápia elvárásai a protonforrásokkal szemben MeV/nukleon energia Relatív energia fluktuáció <1% (kvázi-monoenergikus nyaláb) Alacsony nyaláb divergencia Jelen képességek: Legnagyobb közölt energia: 58 MeV (proton) /széles sáv/ vékony szilárd target Phys. Rev. Lett. 85, 2945 (2000) Keskeny sáv (~1%), de alacsony energia (20 MeV) gáz target Nature Physics 8, 95 (2012) 37

38 Az evaneszcens térrel működő THz-es gyorsító elrendezés v c nsin( α ) Elvárások az anyaggal szemben Nagy optikai roncsolási küszöb Nagy törésmutató Alacsony THz-es abszorpció Kis diszperzió c n Hűtött LiNbO 3 (LN) v c Palfalvi et al., Phys. Rev. ST-AB 17, (2014) 38

proton energia (MeV) Utógyorsítás evaneszcens THz-es térrel egyetlen proton gyorsítása 100 80 E 0 = 1,71 MV/cm f = 0,5 THz 60 40 0 4 8 12

39 proton energia (MeV) Utógyorsítás evaneszcens THz-es térrel egyetlen proton gyorsítása E 0 = 1,71 MV/cm f = 0,5 THz gyorsító egységek száma Szabadalmi bejelentés (2012) Pálfalvi et al. PHYSICAL REVIEW SPECIAL TOPICS - ACCELERATORS AND BEAMS 17, (2014)

40 proton energy (MeV) Proton csomag gyorsítása és monokromatizálása % input output 50 % MeV E 0 = 1.71 MV/cm /2 = 0.5 THz Optimális beállítások: l acc = 1.25 cm v THz = c φ 0 = 3 rad ordinal number of the proton (i) 40

41 Proton csomag gyorsítása és monokromatizálása több fokozattal 0.25 THz frekvenciával output energy (MeV) 55 1.stage E 0 = 0.7 MV/cm 2.stage /2 = 0.25 THz 3.stage d = 100 m 4.stage 50 5.stage ordinal number of the proton (i) MeV Monokromatizálási hányad: 10% Az alacsonyabb THz-es frekvencia előnyösebb! 41

42 Köszönet a kollégáknak! Az eredmények létrejöttében meghatározó szerepet játszottak: Hebling János Fülöp József András Buzády Andrea Unferdorben Márta Márton Zsuzsa Lombosi Csaba Pálfalvi László Polónyi Gyula Ollmann Zoltán Tibai Zoltán Monoszlai Balázs Tóth György Mechler Mátyás Illés 42

43 . Köszönöm a figyelmet! 43

Hasonló dokumentumok

Nagyenergiájú terahertzes impulzusok előállítása és alkalmazása (az ELI-ALPS-ban) Lehetőségek és kihívások

Nagyenergiájú terahertzes impulzusok előállítása és alkalmazása (az ELI-ALPS-ban) Lehetőségek és kihívások Almási Gábor, Fülöp József, Hebling János, Mechler Mátyás, Ollmann Zoltán, Pálfalvi László, Tőke